近場超聲懸浮和驅(qū)動的機理及實驗研究.pdf

1、基于近場超聲懸浮和驅(qū)動的機理制作的作動器具有懸浮力大、不需潤滑、結(jié)構(gòu)簡單、避免摩擦磨損、對環(huán)境要求低、電磁兼容性好等優(yōu)點，這使得此類作動器在近年得到廣泛的關(guān)注。由于初期的研究工作主要著重于作動器樣機的設(shè)計和實驗，其動力學方程的建立與描述存在許多近似與不足。本課題以探索近場超聲懸浮和驅(qū)動的理論和實驗為目標，開展對非接觸式作動器驅(qū)動機理、優(yōu)化分析、有限元仿真、樣機實驗等方面的研究。通過理論推導，探究近場超聲懸浮和驅(qū)動中各種復雜的物理現(xiàn)象，以

2、及實現(xiàn)非接觸作動器轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮和高速旋轉(zhuǎn)的途徑和方法。本論文的主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　1)介紹超聲懸浮技術(shù)分類和區(qū)別，論述了近場懸浮相比駐波懸浮的優(yōu)勢，扼要介紹了國內(nèi)外基于近場超聲懸浮和驅(qū)動機理的發(fā)展和實驗研究的現(xiàn)狀，總結(jié)了現(xiàn)階段超聲懸浮和驅(qū)動亟待解決的問題。
　　2)分析了基于近場懸浮的耦合頻率特性，提出了在一定擠壓膜厚度影響下擠壓膜與激勵源之間的耦合控制系統(tǒng)，并通過攝動法求解出擠壓膜中壓力的解析表達式。針對傳統(tǒng)非協(xié)

3、調(diào)有限元法在求解圓形振動板中誤差較大的缺點，利用一種對模型形狀不敏感的改進型非常規(guī)板元(TRUNC元)對壓力表達式以及系統(tǒng)的共振頻率進行數(shù)值求解，從理論上獲得了懸浮器件的固有頻率隨負載變化的敏感度。
　　3)分析了近場超聲懸浮中懸浮物的瞬態(tài)特性，提出了在一定的激勵條件下懸浮物與擠壓膜之間的耦合控制系統(tǒng)。由于此系統(tǒng)為典型的流固耦合系統(tǒng)，且激勵源為動邊界，因此系統(tǒng)的數(shù)學控制方程組采用任意拉格朗日——歐拉法(ALE)描述。為了解決數(shù)值振

4、蕩以及流固耦合中強非線性問題，對方程采用流線型迎風型格式(SUPG)離散以及利用同步交替法對耦合方程進行數(shù)值求解，至此導出了懸浮物高度、速度、加速度隨時間的瞬態(tài)變化關(guān)系，以及不同懸浮端面振動速度下懸浮高度的變化情況。
　　4)在建立起完全懸浮的轉(zhuǎn)子受到圓筒型定子激勵而旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，理論上分析了超聲驅(qū)動中的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速瞬態(tài)特性。由于擠壓膜中的流體受到定子驅(qū)動做作速旋轉(zhuǎn)運動，因此產(chǎn)生與水平運動不同的附加效應。針對此效應，對控制方程

5、組進行簡化，并利用有限差分法對方程組進行離散和求解。理論上論述了轉(zhuǎn)子在不同激勵信號、不同擠壓膜厚度、不同負載等因素的影響下的轉(zhuǎn)速變化問題。
　　5)提出了三種不同的新型非接觸式壓電作動器，分別是直線型、球型以及圓筒型壓電作動器，包括各種類型作動器結(jié)構(gòu)、行波的激發(fā)、壓電陶瓷在作動器中的振動模式、蘭杰文振子的設(shè)計、有限元計算和仿真、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及裝配和懸浮及轉(zhuǎn)速實驗等。在研究過程中對近場超聲懸浮及驅(qū)動的理論中的懸浮物瞬態(tài)特性、穩(wěn)定性以及